(57)【要約】      （修正有）【課題】強誘電特性及び圧電特性の劣化が抑制され、リーク特性が改善された強誘電体及び圧電体を提供する。【解決手段】ＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体及び圧電体１３は、ＢｉＦｅＯ3の複数のＦｅサイトが、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換されている。ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとからなるターゲットにパルスレーザを照射することで、基板１１上に、ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとを堆積させることにより、ＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体又は圧電体１３の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体であって、
前記ＢｉＦｅＯ3の複数のＦｅサイトが、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換された
強誘電体。
【請求項２】
前記ＢｉＦｅＯ3の全Ｆｅサイトの１０％未満が、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換された
請求項１記載の強誘電体。
【請求項３】
前記全Ｆｅサイトに対するＴｉの比率と、前記全Ｆｅサイトに対するＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかの比率との差は、前記全Ｆｅサイトの１％以内である
請求項２記載の強誘電体。
【請求項４】
前記ＢｉＦｅＯ3のＢｉサイトは、元素置換されていない
請求項３記載の強誘電体。
【請求項５】
ＢｉＦｅＯ3を主成分とする圧電体であって、
前記ＢｉＦｅＯ3の複数のＦｅサイトが、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換された
圧電体。
【請求項６】
前記ＢｉＦｅＯ3の全Ｆｅサイトの１０％未満が、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換された
請求項５記載の圧電体。
【請求項７】
前記全Ｆｅサイトに対するＴｉの比率と、前記全Ｆｅサイトに対するＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかの比率との差は、前記全Ｆｅサイトの１％以内である
請求項６記載の圧電体。
【請求項８】
前記ＢｉＦｅＯ3のＢｉサイトは、元素置換されていない
請求項７記載の圧電体。
【請求項９】
ＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体又は圧電体の製造方法であって、
ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとからなるターゲットにパルスレーザを照射することで、基板上に、ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとを堆積させる
強誘電体又は圧電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体、圧電体及びこれらの製造方法に関し、特に、強誘電体材料であるＢｉＦｅＯ3を構成する元素を置換することで生成される強誘電体、圧電体及びこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体は、電子機器の各種キャパシタ、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）タグに組み込まれている不揮発性メモリの内蔵キャパシタなどに用いられている。また、圧電体は、携帯電話、各種携帯電子機器、各種家電製品のマイク、スピーカ、さらに民生用又は産業用の精密駆動回路用の各種アクチュエータなど、幅広い電子機器に組み込まれている。これらのほとんどは、その大きな分極値、大きな比誘電率、及び電気機械結合定数を有し、焼成温度が低いチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を中心とする鉛系ペロブスカイト強誘電体で構成されている。
【０００３】
しかし、鉛は人体にとって有害であり、各種電子機器の廃棄後に、産廃場で酸性雨等により環境に有害な鉛が流出するのではないかとの懸念が広まっている。その機運が最も高いのが欧州であり、コンピュータ、通信機器、及び家電製品などで、鉛を含む有害な化学物質の使用を禁止するＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）指令（電気電子機器の特定有害物質使用規制）が出ている。
【０００４】
これは、欧州連合（ＥＵ：Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｕｎｉｏｎ）ですでに発効されている。ＲｏＨＳ指令は、ＥＵ内での規制であり、日本や米国に同様の規制はまだないが、日本のメーカーの多くが欧州で製品を販売しているため、製品をＲｏＨＳ指令に準拠させる必要に迫られている。
【０００５】
ハンダの鉛フリー化はある程度進んでいるが、強誘電体や圧電体においても鉛フリー化が焦眉の急となっている。しかし、圧電素子などは良い代替材料が見いだせないことから、対応に苦慮している。
【０００６】
強誘電体や圧電体は、酸化物が主体であることから、酸性雨等による環境への流出の可能性は金属のハンダほどではないにせよ、その使用範囲が益々拡大していることから見逃せない。特に、ＩＣタグなどはマイクロチップとして、目に見えないサイズで日常生活のありとあらゆる場所で使用され、経口で人体に入る可能性も高くなってきている。
【０００７】
そこで、現在、鉛系強誘電体や圧電体の代替材料として注目されているのが、ビスマスフェライトＢｉＦｅＯ3（以下、ＢＦＯと記載）などのビスマス系酸化物材料である。特にＢＦＯは、鉛系に迫る良好な強誘電性及び圧電性を示すことから、不揮発メモリ用、各種圧電デバイス材料などへの応用が幅広く検討されている。
【０００８】
しかしながら、次世代材料として期待されているＢＦＯには、致命的な弱点と言える「試料のリーク電流」がある。一般に強誘電体及び圧電体は、その応用手法の性質上（電界印加により分極又は機械的変動をさせる）、リーク電流はゼロに近いことが求められる。しかしながら、この基本的な要求に対してＢＦＯは、充分に応えることができない。原因としては、ＢＦＯ内部における「揮発性元素であるＢｉの欠損」「遷移元素であるＦｅの価数変動によるキャリア誘起」「酸素欠損」が挙げられる。
【０００９】
この致命的な弱点を克服する方法として、（ｉ）各種の薄膜やバルク型のＢＦＯを作製する時のプロセス条件（パラメータ）を最適化する方法、（ｉｉ）Ｂｉ又はＦｅサイトに対する元素置換を用いた材料特性を改善する方法の２つが主流となる。
【００１０】
これらのアプローチに対しては、それぞれ一長一短がある。例えば、（ｉ）に関してはＢＦＯ組成を変化させることが無いため、特性劣化の心配が無いという長所があるのに対して、プロセス毎に最適化を行う必要があり、扱うパラメータの数が膨大なものとなるという短所がある。さらに、（ｉ）には、プロセスパラメータの最適化は、原理的に、装置に特化した方法であるため、汎用性が無いという短所もある。
【００１１】
また、（ｉｉ）に関しては、原理的には様々な成膜・形成プロセスに適用可能であり、汎用性が高いという長所があるのに対して、元素置換に伴う不純物の析出、又は強誘電特性及び圧電特性の劣化が生じる可能性があるという短所がある。さらに、（ｉｉ）には、上記の問題を引き起こさない適正な添加量及び元素種の最適化に膨大な手間を要するという短所もある。
【００１２】
以上のような状況にあるが、工業的応用を視野に入れると汎用性の高さは非常に重要であるため、（ｉｉ）の元素置換法によるＢＦＯの特性改善が今後の主流になると示唆される。
【００１３】
元素置換法によるＢＦＯの特性改善の基本的なアプローチとしては、ＢＦＯ内のＢｉサイト又はＦｅサイトの個別置換が主である。これまでに報告された各サイトに対する置換元素種と改善に至る原理とは、以下のようになる。
【００１４】
（１）Ｂｉサイトへの元素置換
Ｂｉを置換する元素として、揮発性元素であるＢｉの欠損防止を目的に融点の高い希土類元素が主に用いられる。元素置換による影響としては、上述のＢｉ欠損を防止することができるのに加えて、結晶粒径縮小に伴う表面形状のスムージング効果が得られる。これにより、リーク電流が抑制される。
【００１５】
（２）Ｆｅサイトへの元素置換
Ｆｅを置換する元素として、遷移金属元素であるＦｅの価数変化防止を目的に比較的イオン半径の近い遷移金属元素（Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなど）が主に用いられる。元素置換による影響としては、上述の価数変化防止に加えて、特にＭｎ、Ｎｉ又はＣｕを添加することにより結晶粒径の肥大化に伴う耐圧改善効果が得られ、リーク電流抑制と共に強誘電特性も改善される。
【００１６】
なお、ＢＦＯを用いた強誘電体に関する技術として、特許文献１には、ＢＦＯにＭｎやＴｉなどの所定の遷移元素を添加する技術が記載されている。これにより、低い温度（６００℃程度）での成膜を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−２１０７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記従来技術では、次のような課題がある。
【００１９】
まず、（１）Ｂｉサイトへの元素置換に対しては、上述したような効果が得られる一方で、強誘電性の起源と目されるＢｉの一部置換に伴う強誘電特性の劣化が報告されており、一般にリーク抑制効果は高いものの強誘電特性の劣化が著しいという課題がある。
【００２０】
また、（２）Ｆｅサイトへの元素置換に対しても、上述したような効果が得られる一方で、結晶粒径の肥大化に伴い、表面形状の深刻な荒れが問題視されており、過剰添加によりリーク特性が劣化するケースが多い。なお、現状では微量のＭｎ添加が比較的リーク特性改善に優れていることが報告されているが、まだ充分な特性は得られていない。また、そもそも置換元素も遷移金属であるために、価数変化防止に関する厳密な改善報告等はまだ少ない。
【００２１】
以上のように、各サイト置換による特性改善が試みられているが、上述のように各々一長一短があり、単独置換による（工業的応用に耐えうる）充分な改善は困難である。特許文献１に記載の技術でも、リーク電流の抑制と、強誘電特性の劣化の防止とは達成されていない。
【００２２】
そこで、本発明は、強誘電特性及び圧電特性の劣化が抑制され、リーク特性が改善された強誘電体、圧電体及びこれらの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するため、本発明の強誘電体は、ＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体であって、前記ＢｉＦｅＯ3の複数のＦｅサイトが、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換された強誘電体である。
【００２４】
これにより、強誘電特性及び圧電特性の劣化が抑制され、リーク特性が改善される。また、良好な表面モフォロジが得られ、従来に比べて明瞭なヒステリシス曲線が得られる。
【００２５】
また、前記ＢｉＦｅＯ3の全Ｆｅサイトの１０％未満が、Ｔｉと、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換されてもよい。
【００２６】
また、前記全Ｆｅサイトに対するＴｉの比率と、前記全Ｆｅサイトに対するＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかの比率との差は、前記全Ｆｅサイトの１％以内であってもよい。
【００２７】
また、前記ＢｉＦｅＯ3のＢｉサイトは、元素置換されていなくてもよい。
【００２８】
また、本発明は、強誘電体として実現するだけでなく、圧電体として実現することもできる。
【００２９】
また、本発明の強誘電体及び圧電体の製造方法は、ＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体又は圧電体の製造方法であって、ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとからなるターゲットにパルスレーザを照射することで、基板上に、ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとを堆積させる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、強誘電特性及び圧電特性の劣化が抑制され、リーク特性が改善された強誘電体及び圧電体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施の形態の強誘電体を備えるＭＩＭキャパシタの構成を示す断面図である。
【図２】本実施の形態の強誘電体のＸＲＤによる構造解析の結果を示す図である。
【図３】本実施の形態の強誘電体のＡＦＭ観察像を示す図である。
【図４】本実施の形態の強誘電体の電流密度−電界特性（Ｊ−Ｅ特性）を示す図である。
【図５】本実施の形態の強誘電体の分極−電界特性（Ｐ−Ｅ特性）を示す図である。
【図６】本実施の形態の強誘電体における印加電界に対する飽和分極値と抗電界の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本実施の形態の強誘電体は、ＢＦＯ（ＢｉＦｅＯ3）を主成分とする強誘電体であって、ＢＦＯのＦｅサイトの一部が、ＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとに元素置換された強誘電体である。本実施の形態では、置換元素として、ＴｉとＭｎとを用いた。本実施の形態のＭｎ及びＴｉ同時置換ＢＦＯを、以下では、ＢＦＭＴと記載する。
【００３３】
なお、本実施の形態で、ＢｉサイトではなくＦｅサイトの元素置換を利用したのは、Ｂｉサイトの元素置換に関しては、ＢＦＯ本来の強誘電特性及び圧電特性を劣化させる恐れがあり、手法として選択しにくいためである。
【００３４】
Ｔｉは、酸化物であるＴｉＯ2の融点が高いことに由来して、結晶粒の過剰成長が抑制されることによる表面スムージングが期待される。さらに、クラーク数は０．４６であり、地球表層上での埋蔵量が水素に次いで豊富な元素である。また、Ｔｉは、その酸化物であるＴｉＯ2の融点が極めて高温（１７５０℃）であることから、結晶粒の過剰成長を抑制することが予想され、結果として上述の結晶肥大化を伴う元素置換に対して表面形状の荒れを回避する効果が期待される。
【００３５】
また、Ｍｎは、Ｆｅサイトへ置換可能な元素類の中で比較的、結晶粒径の肥大化に伴うリーク抑制効果が高く、クラーク数は０．０９であり、地球表層上での埋蔵量が塩素に次いで豊富な元素である。
【００３６】
（構造及び製造方法）
以下では、本実施の形態のＢＦＭＴの優位性を示すため、比較対象として、ＢＦＯと、Ｍｎ添加ＢＦＯ（以下、ＢＦＭと記載）と、Ｔｉ添加ＢＦＯ（以下、ＢＦＴ）も作製した。
【００３７】
図１は、本実施の形態の強誘電体を備えるＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｍｅｔａｌ）キャパシタ１０の構成を示す断面図である。同図に示すように、ＭＩＭキャパシタ１０は、基板１１と、電極層１２と、強誘電体層１３と、電極１４とを備える。
【００３８】
基板１１は、チタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ（以下、ＳＴＯと記載）で構成されたＳＴＯ基板である。なお、基板１１は、シリコンなどの半導体基板でもよい。
【００３９】
電極層１２は、ＰＬＡ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｔｉｏｎ）法によって、Ｐｔを堆積することで生成されたＰｔ電極である。このとき、Ｐｔは、［１００］配向した試料を用いた。なお、電極層１２は、Ｐｔ以外の他の金属又は導電性酸化物などの導電性材料で構成されていてもよい。
【００４０】
強誘電体層１３は、ＢＦＭＴ、ＢＦＯ、ＢＦＭ又はＢＦＴである。基板１１上へのＢＦＭＴ薄膜堆積は、ＰＬＡ法を用いて行った。具体的には、パルスレーザを照射し、薄膜化させるターゲット材料として、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｔｉ＝１．０：０．９５：０．０３：０．０２組成を有する焼結ターゲットを用いた。
【００４１】
なお、ＢＦＯ薄膜堆積には、Ｂｉ：Ｆｅ＝１．１：１．０組成、ＢＦＴ薄膜堆積には、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｔｉ＝１．０：０．９８：０．０２組成、ＢＦＭ薄膜堆積には、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ＝１．１：０．９７：０．０３組成のターゲットをそれぞれ準備した。
【００４２】
電極１４は、蒸着法を用いて所定の位置に堆積されたＡｕ電極である。なお、電極１４は、Ａｕ以外の他の金属又は導電性酸化物などの導電性材料で構成されていてもよい。
【００４３】
以上のように、本実施の形態のＭＩＭキャパシタ１０は、Ａｕ／ＢＦＭＴ／Ｐｔ／ＳＴＯ構造となる。
【００４４】
なお、ＭＩＭキャパシタ１０は、上述のように金属Ｍ・絶縁体Ｉ・金属Ｍのサンドイッチ構造で構成されるキャパシタ素子であり、強誘電体及び高誘電体といった絶縁性材料の物性評価を行う際に広く用いられるものである。また、強誘電体のデバイス応用の１つであるＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）は、ＭＩＭキャパシタを基本構造とするものであり、ＭＩＭキャパシタの実現は物性評価のみならず応用面においても極めて重要であるといえる。
【００４５】
また、ＰＬＡ法とは、パルスレーザをターゲットに照射することにより、ターゲット表面からターゲットを構成する原子・分子・クラスタ・イオン等を放出させ、基板上に堆積させることで薄膜形成を行う技術である。一般にＰＬＡ法は、本実施の形態のＢＦＭＴのような多元素系材料を形成する際に、組成ずれを回避した成膜を実現するものであり、本実施の形態の強誘電体の作製に最適な技術であるといえる。つまり、ＰＬＡ法では、ターゲットの組成比を非常に高い精度で、形成された薄膜の組成比に反映させることができる。ただし、ＰＬＡ法には限られず、スパッタ法などの他の薄膜形成技術を用いてもよい。
【００４６】
ＰＬＡ法を用いた成膜プロセス時（強誘電体層１３の形成時）における実験条件は、表１に示す通りである。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
表１に示すレーザエネルギーは、照射するパルスレーザのエネルギーである。また、レーザ周波数は、間欠的に照射されるパルスレーザの繰り返し周波数である。作製時加熱温度は、プロセスｉｎ−ｓｉｔｕにおける薄膜結晶化及び表面平坦等を目的とした基板加熱の温度である。作製時圧力は、薄膜結晶化及び酸素欠損防止を目的として成膜時に導入したＯ2ガスの圧力である。そして、除冷時圧力は、酸素欠損防止を目的としてプロセス終了後に導入したＯ2ガスの圧力である。
【００４９】
以上のように、本実施の形態のＢｉＦｅＯ3を主成分とする強誘電体又は圧電体の製造方法では、ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとからなるターゲットにパルスレーザを照射することで、基板上に、ＢｉとＦｅとＴｉとＭｎ、Ｎｉ及びＣｕのいずれかとを堆積させる。ここで、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕのイオン半径は、Ｆｅのイオン半径に近い値であり、Ｂｉのイオン半径とは大きく異なるため、Ｂｉサイトがこれらの元素で置換されることはほとんどないと考えられる。
【００５０】
以上のようにして作製された強誘電体層１３は、ターゲットの組成比が反映されているので、例えば、ＢＦＭＴについて、その組成比は、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｔｉ＝１．０：０．９５：０．０３：０．０２である。
【００５１】
（評価方法及び実験結果）
続いて、上述したように作製した強誘電体（ＢＦＭＴ、ＢＦＯ、ＢＦＭ、ＢＦＴ）の特性について評価する。評価方法は、以下の３つである。
【００５２】
（１）ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）による構造解析
（２）膜厚測定による表面解析
（３）電気特性の評価
【００５３】
なお、このとき、（２）表面解析では、触針式膜厚計の１つである原子間力顕微鏡ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いた。また、（３）電気的特性の評価では、強誘電体評価システムＲＴ−６６Ａ（ラジアント社製）及びＦＣＥ（東陽テクニカ社製）を用いて、電流−電界特性（Ｊ−Ｅ特性）、すなわち、リーク電流特性評価、及び、分極−電界特性（Ｐ−Ｅ）、すなわち、誘電特性評価をそれぞれ室温で行った。
【００５４】
以下に、各評価方法についての実験結果を示す。
【００５５】
（１．ＸＲＤによる構造解析）
図２は、各強誘電体のＸＲＤ計測による構造解析の結果を示す図である。図２（ａ）はＢＦＯ試料、図２（ｂ）はＢＦＴ試料、図２（ｃ）はＢＦＭ試料、図２（ｄ）はＢＦＭＴ試料をそれぞれ示している。
【００５６】
各図に示すように、いずれの試料もＢＦＯ薄膜に由来した回折ピークとして［１００］、［１１０］が確認され、配向性が揃っていないランダム配向薄膜であることが分かる。また、いずれの試料においてもＢｉ欠損に由来した不純物が僅かに析出していることが分かる。
【００５７】
以上より、僅かなＢｉ欠損は生じているものの、金属電極上にＢＦＭＴが成長可能であることが確認された。
【００５８】
（２．膜厚測定による表面解析）
図３は、各強誘電体のＡＦＭ観察像を示す図である。図３（ａ）はＢＦＯ試料、図３（ｂ）はＢＦＴ試料、図３（ｃ）はＢＦＭ試料、図３（ｄ）はＢＦＭＴ試料をそれぞれ示している。
【００５９】
図３（ａ）に示すように、ＢＦＯの結晶粒径は約３００〜５００ｎｍ程度であり、表面ラフネスの値は１４ｎｍであった。これに対して、図３（ｂ）に示すように、ＢＦＴの結晶粒径は１００〜３００ｎｍ程度であり、表面ラフネスの値は３．０ｎｍであった。このように、ＢＦＴでは、小さな結晶粒が密に詰まることによりラフネスが低く抑えられていることが分かる。
【００６０】
また、図３（ｃ）に示すように、ＢＦＭの結晶粒径は約５００〜１０００ｎｍであり、表面ラフネスの値は１０ｎｍであった。このように、ＢＦＭは、結晶粒径がＢＦＯに比べて肥大化している。しかしながら、ラフネスに関しては、肥大化した結晶粒の間が空乏化しており十分な改善には至っていない。
【００６１】
一方、図３（ｄ）に示すように、ＢＦＭＴの結晶粒径は約１００〜５００ｎｍ程度であり、表面ラフネスの値は４．５ｎｍであった。このように、ＢＦＭＴは、結晶粒がＢＦＴと同程度であるものの、小さな結晶粒が大きな結晶粒形成を促すように互いに密に詰まった様子を示している。これにより、表面ラフネスは、ＢＦＴと同程度が得られており、さらに、ＢＦＴと比べて結晶粒の肥大化も同時に促す傾向にあることが分かる。
【００６２】
以上のように、ＢＦＯのＦｅサイトをＭｎとＴｉとで同時に元素置換することで、両者（ＢＦＭとＢＦＴ）の特徴を兼ね備えた形状を有する試料が実現されることが明らかにされた。
【００６３】
（３．電気特性の評価）
図４は、各強誘電体の電流密度−電界特性（Ｊ−Ｅ特性）を示す図である。なお、同図の特性は、室温（ＲＴ：Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）で測定したときに得られた特性である。
【００６４】
ＢＦＯ及びＢＦＴについて、リーク電流の値は、正負どちらのバイアス方向に対しても１００ｋＶ／ｃｍ未満の低バイアス域において約１０-4Ａ／ｃｍ2程度が得られた。しかしながら、さらに電界を増加すると急激に電流値が増加していることが分かる。
【００６５】
一方、ＢＦＭについては、１００ｋＶ／ｃｍ未満の低バイアス域においてＢＦＯ及びＢＦＴに比べて約１桁高い電流値を示すものの、高バイアス域でも急激な電流増加を示すことが無い優れた耐圧性を有していることが分かる。この結果は、ＢＦＭにおけるＭｎ添加による結晶粒の肥大化に由来するものといえる。
【００６６】
ＢＦＭＴについては、低バイアス域においてＢＦＯ及びＢＦＴとほぼ同等の振舞いを示し、高バイアス域においてはＢＦＭと同様に優れた耐圧となっている。さらに、高バイアス域におけるリーク電流値は、ＢＦＭと比べて約２桁低い値となっており、この結果は、ＢＦＭＴの優れた表面状態に由来するものといえる。
【００６７】
以上の結果から、ＢＦＭＴは、ＢＦＴ及びＢＦＭのリーク特性改善における長所を双方より引き継ぐことにより、単独での元素置換では得られない優れたリーク抑制効果を示すことが明らかとなった。
【００６８】
図５は、本実施の形態の強誘電体ＢＦＭＴの分極−電界特性（Ｐ−Ｅ特性）を示す図である。同図の特性は、印加する電界の周波数を２０ｋＨｚとして、室温で測定したときに得られた特性である。
【００６９】
特性の振る舞いに関して、一般に元素置換ＢＦＯで見られる特性の丸みは無く、極めて矩形性に優れた明瞭な強誘電体ヒステリシスループを描いていることが分かる。このような結果が得られた要因としてＭｎ、Ｔｉ置換による充分なリーク電流抑制効果に加えて、Ｂｉサイトへの元素置換を回避した影響が如実に現れた結果といえる。また、室温においても明瞭なヒステリシス特性が得られていることから、ＢＦＭＴのリーク成分の大幅抑制が示唆される。
【００７０】
図６は、本実施の形態の強誘電体ＢＦＭＴにおける印加電界に対する飽和分極値Ｐrと抗電界Ｅcの特性を示す図である。同図の特性は、印加する電界の周波数を２０ｋＨｚとして、室温で測定したときに得られた特性である。
【００７１】
飽和分極値Ｐrの値に関しては、完全な飽和傾向は示されていないものの、希土類元素置換ＢＦＯで見られる強誘電特性の劣化は一切見られないことが分かる。一方、抗電界Ｅcについてはほぼ飽和傾向が見られており、さらにその値もＢＦＯの一般的な値（２５０〜３００ｋＶ／ｃｍ程度）と同等の値が得られている。
【００７２】
以上より、ＢＦＯへのＭｎ、Ｔｉ同時置換は強誘電特性の劣化を引き起こすこと無く、効率的にリーク電流抑制を実現するものであるといえる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態の強誘電体は、非鉛新規強誘電体材料であるＢＦＯのＦｅサイトを、ＭｎとＴｉとに元素置換された強誘電体である。これにより、従来のＢＦＯ、ＢＦＴ及びＢＦＭに比べてリーク電流が充分に抑制される。また、表面状態及び電気特性に関しては、ＭｎとＴｉを個別に置換した効果を同時に実現し、良質な絶縁性と優れた強誘電特性を示した。
【００７４】
以上、本発明の強誘電体について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものも、本発明の範囲内に含まれる。
【００７５】
例えば、本実施の形態では、Ｆｅサイトの元素置換に、ＴｉとＭｎとの２つの元素を用いた。これに対して、Ｍｎの代わりに、Ｃｕ又はＮｉを用いても同様の効果が得られると考えられる。なぜなら、ＢＦＯにＭｎを添加したＢＦＭと、ＢＦＯにＮｉを添加したＢＦＮとは、類似の性質が得られることが判明しているためである。なお、Ｃｕについても同様である。
【００７６】
また、本実施の形態では、ＢＦＭＴの組成比をＢｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｔｉ＝１．０：０．９５：０．０３：０．０２としたが、これには限られない。具体的には、全Ｆｅサイトに対する置換元素の割合が、全Ｆｅサイトの１０％未満であることが望ましい。ここでは、ＭｎとＴｉとの合計が、全Ｆｅサイトの１０％未満であることが望ましい。
【００７７】
なぜなら、全Ｆｅサイトの１０％以上をＭｎとＴｉとに元素置換すると、上述したような本発明によって得られた格別の効果が失われてしまうためである。なお、Ｍｎの代わりに、Ｃｕ又はＮｉを用いた場合も同様である。
【００７８】
また、ＭｎとＴｉとの比率は、ほぼ等しくてもよい。具体的には、全Ｆｅサイトに対するＴｉの比率と、全Ｆｅサイトに対するＭｎの比率との差は、全Ｆｅサイトの１％以内であってもよい。なぜなら、本発明は、ＢＦＭとＢＦＴとの互いの利点をバランス良く利用したものであるため、一方の元素が少な過ぎた場合には、一方の特性に偏ってしまい、本発明によって得られる格別の効果を失うと考えられるためである。なお、Ｍｎの代わりに、Ｃｕ又はＮｉを用いた場合も同様である。
【００７９】
なお、本発明は、圧電体としても利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の強誘電体及び圧電体は、例えば、不揮発メモリの内蔵キャパシタなどの各種キャパシタ、各種電子機器が備えるマイク及びスピーカ、精密駆動回路用のアクチュエータなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０  ＭＩＭキャパシタ
１１  基板
１２  電極層
１３  強誘電体層
１４  電極
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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